智慧城市中智能路燈網絡設計

吳權暉+林啟英

摘 要：文章結合智慧城市的需求，對智能路燈網進行了設計，提出了安防、交通服務、環境監測以及照明等多項功能，并就其網絡結構、硬件以及軟件設計進行了總結。

關鍵詞：智慧城市；智能路燈；設計

2008年IBM公司首次提出了“智慧地球”這一理念，而“智慧城市”作為其中非常重要的一部分，其在推動“智慧地球”發展上發揮著至關重要的作用。智慧城市主要是指采用一系列較為典型的智能應用系統共同組合而成，例如：智能照明系統、交通系統以及智能環境監測等。為此，加強智能路燈網絡的建設在推動智慧城市發展中具有非常重要的作用[1]。本研究擬結合6LoWPAN技術對智能路燈網絡進行設計。

1 智能路燈的網絡結構

通過6LoWPAN技術的運用，可從根本上實現對物聯網感知延伸層傳感器節點的有效接入，從而更好地實現與互聯網的有效接入，并能夠因此實現傳感器網絡末梢節點IP化的有效實現。智慧城市中智能路燈網絡具體如圖1所示，該網絡仍然是以當前最主流的協議IPv4為依托，并基于此逐漸向IPv6實現有效過渡。

基于物聯網技術來進行網絡的架構設計可將智能路燈網劃分為非常典型的3層，分別為：網絡層、感知延伸層以及應用層，其中網絡層主要是對6LoWPAN技術進行運用，基于路由器來組建網絡；感知延伸層則主要是在6LoWPAN基礎上，通過各種執行器節點以及各種類型的感知節點而構建起來的一個數量較為龐大的網絡；應用層則主要運用的云架構技術，能夠通過服務器群模式來實現系統對各種服務功能的有效執行，針對不同的感知層節點功能和服務系統功能，其能夠進行相應的分類，部分還可進行復用，例如：轉發、存貯、管理等。

感知層的傳感器以及應用層功能本身就存在著相應的映射關系，智能路燈網的感知延伸層節點通常是由系統的路燈開關繼電器以及光明傳感器等構成；智能交通系統的傳感器包括計數器、攝像頭、ETC讀卡器等；空氣污染檢測器、噪聲污染檢測器以及煙霧感應器等組成了智能環保系統的延伸層；紅外感應器、攝像頭以及報警器則為智能安防系統的延伸層。

最原始的感知延伸層其節點均是在非IP基礎上的，但因受到物聯網發展的影響，其對智能系統提出了更好的要求，這就需要通過端與端之間進行有效的執行和訪問[2]。為此，在6LoWPAN系統的基礎上，通過各種感知延伸層的節點，即可促使互聯網與智能路燈網絡進行有效連接，從而更好地推動智慧城市的建設。

2 智能路燈的硬件設計

2.1 6LoWPAN普通路由器

通過操作系統來實現6LoWPAN協議棧需要的支持，結合6LoWPAN的特點，我們在設計中主要運用了Contiki操作系統進行6LoWPAN普通路由器的實現。路由器核心芯片主要采用的是TI的CC2538。該芯片的性能非常強勁，并且內部的資源非常豐富，可有效實現對Contiki的支持。

2.2 6LoWPAN節點設計

為了能夠更好地實現對6LoWPAN的有效擴展，在對其硬件進行設計時，應當將其模式進行統一，簡單來說，即為插入式+底板模塊的處理方式。在設計中，將所有接插件之間的間 距確定為標準的2.54 mm，其能夠用于對傳感模塊、無線通信模塊等多個模塊進行有效連接。例如：運用LX1970芯片來作為照度傳感器，該芯片傳感器主要為可見光亮度傳感器；運用DS18B20主芯片作為溫度傳感器的芯片，這種芯片傳感器屬于單線智能溫度傳感器；運用CX20106a芯片的接收模塊來作為超聲波；電源模塊則主要為多路輸出模塊，其能夠實現對各個節點的有效供電；路燈的控制器主控開關主要采用的是附帶有光耦合的多路繼電器[3]。

在智能路燈的網絡中，攝像頭最主要的作用是進行視頻識別、遠程監控以及探測報警等作用。在網絡設計中，選取了較高性價比的網絡攝像頭。在對視頻進行傳輸的過程中，因其對帶寬的要求非常高，為了能夠更好地提升其穩定性，我們在研究中將路燈桿的AP專門設置為了無線網橋模式，通過這種方式的設置，其能夠通過多跳連接，經過6LoWPAN的邊界路由器來進行互聯網的連接，同時還可經過4G移動網絡或者PON網絡來實現與互聯網的連接。各種照片的信息可由網絡攝像機進行獲取，并且因其相較于視頻數量較小，故能夠直接經由6LoWPAN網絡來實現轉發。因各種多媒體設備其不僅成本較高，同時對供電的需求也相對較高，為此，目前并不建議對每個路燈桿進行相關設備的配置，而是在道路相對較為重要的位置進行配置，并進行6LoWPAN路由器的安置。終端用戶則能夠通過PC或者手機端來實現對視頻的訪問，并可經由遠程控制的方式來實現對攝像機焦距、視頻探頭云臺等設備參數進行控制和調整。視頻探測則是在硬件的基礎上，通過識別算法來實現，能夠對不同場景的視頻數據進行分析和展現，從而深度挖掘視頻數據，例如：經由人臉識別算法來實現對人員目標的追蹤，基于車牌識別算法而進行車輛記錄和車流量的統計。

2.3 6LoWPAN邊界路由器

為了能夠更好地實現對6LoWPAN節點互聯網的直接訪問，就必然需要一個協議來實現有效轉換。6LoWPAN邊界路由器主要是為了能夠實現6LoWPAN與IP協議棧之間的有效轉換，從而促使IPv4網絡協議及IPv6網絡協議能夠實現互通。6LoWPAN邊界路由器主要采用的是異構網絡系統中的網關設備，其能夠實現對6LoWPAN網絡的建立，并實現對無線mesh網絡拓撲結構的有效維護，同時還可實現數據的相互轉發等。為了能夠更好地實現對開發復雜程度的控制，本研究在對智能路燈網絡設計時，主要是將CC2538作為主控單元。此外，其硬件還包括了隨機存儲器單元、電源管理模塊、以太網控制單元。

3 智能路燈的軟件設計

3.1 軟件整體架構

智能路燈網絡除了需要依靠較好的硬件設備之外，同時其對軟件設計也有著較高的要求，我們在對軟件整體設計中，主要是基于Contiki操作系統來實現。在軟件整個架構中，硬件系統屬于最底層，中間層則主要為驅動程序，其主要用于實現與硬件設備的相互連接，以便上層軟件進行有效調用，操作系統內核可有效實現對管理系統任務的運用，并能夠結合系統事件來實現對各項任務的調度執行。用戶的主要應用程序是基于UDP協議的基礎上來實現對各種傳感節點以及應用程序的管理和開發[4]。

3.2 6LoWPAN網絡層軟件設計

就當前實際情況來看，TCP/IP協議棧是當前最主要的棧，其與6LoWPAN協議棧本身就存在著密切的對應關系。邊界路由器在運行中，主要是IPv6與IPv4兩種通信協議來實現，其中IPv6主要發揮的是自動隧道尋址協議ISATAP機制，而IPv4則主要是對uNAT-PT機制進行發揮。在其與IPv6網絡通信協議時，可對ISATA隧道處理模塊進行合理的選取，并基于此實現主機與隧道之間的連接。

3.3 應用層設計

在智慧城市面向服務的體系結構（Service-Oriented Architecture，SOA）標準中，智能路燈網絡的合理運用可以說是其中非常重要的一部分，其能夠從流程、業務來對相應服務元素進行增加或者刪減。在SOA框架的條件下，各種功能可經由ESB總線來實現有效的連通，并能夠對現有的資源進行充分的運用，從而實現對應用軟件各種信息孤島等一系列問題的有效解決，同時還可對服務功能拓展空間進行更好的保留。

基于SOA框架基礎上，智能照明系統能夠對6LoWPAN節點紅外感應器以及亮度傳感器等進行相應的調用，從而實現對行人、車輛以及光線等各方面情況，來確定是否需要進行照明，同時路燈還能夠結合周圍光線情況來適當的調節其亮度，同時還可對照明進行啟動和關閉。除此之外，當出現無法進行照明的情況時，還可及時向供電部門或者控制中心發出警報，以便工作人員能夠對路燈進行及時有效的維護處理。

此外，本研究所提出的智能路燈網絡還具有交通服務、環境監測等多項功能，其中交通服務則是基于地理信息系統（GIS）的基礎上，來提高智能燈桿的定位作用，并結合超聲波測速、網絡攝像頭以及ETC讀卡器等相關設備為交通控制中心提供有效的服務。環境監測則能夠通過空氣污染檢測器、噪聲傳感器等的配置來實現對城市空氣質量等方面的監測。安防服務則主要是在燈桿中增加紅外感應器以及攝像頭等，實現對覆蓋范圍城市安全的有效監控，同時還可通過報警以及特定目標識別等功能來提升其作用，更好地服務于城市安全。

4 結語

總而言之，在智慧城市建設中，通過對智能路燈網絡的構建設計，能夠路燈充分發揮照明、安防、交通服務以及環境監測等作用，為智慧城市提供多項服務功能，使得城市更加智能化。